February 23, 2024

Ο ηλιακός σχεδιασμός θα αξιοποιούσε το 40% της ηλιακής θερμότητας για την παραγωγή καθαρού καυσίμου υδρογόνου

Οι μηχανικοί του MIT στοχεύουν στην παραγωγή εντελώς πράσινου καυσίμου υδρογόνου χωρίς άνθρακα με ένα νέο σύστημα αντιδραστήρα που μοιάζει με τρένο που τροφοδοτείται αποκλειστικά από τον ήλιο.

Σε μια μελέτη που εμφανίζεται σήμερα στο Περιοδικό Solar Energy, οι μηχανικοί παρουσιάζουν τον εννοιολογικό σχεδιασμό ενός συστήματος που μπορεί να παράγει αποτελεσματικά «ηλιακό θερμοχημικό υδρογόνο». Το σύστημα αξιοποιεί τη θερμότητα του ήλιου για να διασπάσει απευθείας το νερό και να παράγει υδρογόνο, ένα καθαρό καύσιμο που μπορεί να τροφοδοτήσει φορτηγά, πλοία και αεροπλάνα μεγάλων αποστάσεων, χωρίς να εκπέμπει εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου κατά τη διαδικασία.

Σήμερα, το υδρογόνο παράγεται σε μεγάλο βαθμό μέσω διεργασιών που περιλαμβάνουν φυσικό αέριο και άλλα ορυκτά καύσιμα, καθιστώντας το κατά τα άλλα πράσινο καύσιμο περισσότερο μια «γκρίζα» πηγή ενέργειας από την αρχή της παραγωγής του έως την τελική του χρήση. Αντίθετα, το ηλιακό θερμοχημικό υδρογόνο, ή STCH, προσφέρει μια εναλλακτική λύση εντελώς χωρίς εκπομπές, καθώς βασίζεται εξ ολοκλήρου στην ηλιακή ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές για την παραγωγή υδρογόνου. Αλλά μέχρι στιγμής, τα υπάρχοντα σχέδια STCH έχουν περιορισμένη απόδοση: μόνο περίπου το 7 τοις εκατό του εισερχόμενου ηλιακού φωτός χρησιμοποιείται για την παραγωγή υδρογόνου. Τα αποτελέσματα μέχρι στιγμής ήταν χαμηλή απόδοση και υψηλό κόστος.

Σε ένα μεγάλο βήμα προς την ανάπτυξη ηλιακών καυσίμων, η ομάδα του MIT εκτιμά ότι ο νέος σχεδιασμός τους θα μπορούσε να αξιοποιήσει έως και το 40 τοις εκατό της θερμότητας του ήλιου για να παράγει πολύ περισσότερο υδρογόνο. Η αυξημένη απόδοση θα μπορούσε να μειώσει το συνολικό κόστος του συστήματος, καθιστώντας το STCH μια δυνητικά επεκτάσιμη και οικονομικά προσιτή επιλογή που θα βοηθήσει στην απομάκρυνση του άνθρακα από τον κλάδο των μεταφορών.

«Σκεφτόμαστε το υδρογόνο ως το καύσιμο του μέλλοντος και πρέπει να παραχθεί οικονομικά και σε κλίμακα», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Ahmed Ghoniem, καθηγητής Μηχανολόγων Μηχανικών Ronald C. Crane στο MIT. “Προσπαθούμε να επιτύχουμε τον στόχο του Υπουργείου Ενέργειας, ο οποίος είναι να παράγει πράσινο υδρογόνο έως το 2030, με 1 $ ανά κιλό. Για να βελτιώσουμε την οικονομία, πρέπει να βελτιώσουμε την απόδοση και να διασφαλίσουμε ότι το μεγαλύτερο μέρος της ηλιακής ενέργειας που συλλέγουμε χρησιμοποιείται σε την παραγωγή υδρογόνου».

Συν-συγγραφείς της μελέτης του Ghoniem είναι η Aniket Patankar, πρώτη συγγραφέας και μεταδιδάκτορας του MIT. Harry Tuller, καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στο MIT. Xiao-Yu Wu του Πανεπιστημίου του Waterloo. και Wonjae Choi του Πανεπιστημίου Ewha Womans στη Νότια Κορέα.

ηλιακούς σταθμούς

Όπως και άλλα προτεινόμενα σχέδια, το σύστημα του MIT θα συνδυάζεται με μια υπάρχουσα πηγή ηλιακής θερμότητας, όπως ένα συγκεντρωμένο ηλιακό εργοστάσιο (CSP), μια κυκλική σειρά από εκατοντάδες καθρέφτες που συλλέγουν και αντανακλούν το φως του ήλιου προς έναν κεντρικό πύργο υποδοχής. Στη συνέχεια, ένα σύστημα STCH απορροφά θερμότητα από τον δέκτη και τον κατευθύνει να διασπάσει το νερό και να παράγει υδρογόνο. Αυτή η διαδικασία είναι πολύ διαφορετική από την ηλεκτρόλυση, η οποία χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό αντί για θερμότητα για τη διάσπαση του νερού.

Στην καρδιά ενός εννοιολογικού συστήματος STCH βρίσκεται μια θερμοχημική αντίδραση δύο σταδίων. Στο πρώτο βήμα, το νερό σε μορφή ατμού εκτίθεται σε ένα μέταλλο. Αυτό αναγκάζει το μέταλλο να συλλαμβάνει οξυγόνο από τον ατμό, αφήνοντας πίσω του το υδρογόνο. Αυτή η «οξείδωση» του μετάλλου είναι παρόμοια με την οξείδωση του σιδήρου παρουσία νερού, αλλά συμβαίνει πολύ πιο γρήγορα. Μόλις διαχωριστεί το υδρογόνο, το οξειδωμένο (ή οξειδωμένο) μέταλλο επαναθερμαίνεται σε κενό, το οποίο δρα για να αντιστρέψει τη διαδικασία οξείδωσης και να αναγεννήσει το μέταλλο. Μόλις αφαιρεθεί το οξυγόνο, το μέταλλο μπορεί να ψυχθεί και να εκτεθεί ξανά στον ατμό για να παραχθεί περισσότερο υδρογόνο. Αυτή η διαδικασία μπορεί να επαναληφθεί εκατοντάδες φορές.

Το σύστημα MIT έχει σχεδιαστεί για τη βελτιστοποίηση αυτής της διαδικασίας. Το σύστημα στο σύνολό του μοιάζει με ένα τρένο από πίδακες σε σχήμα κουτιού που ταξιδεύουν σε μια κυκλική τροχιά. Στην πράξη, αυτή η διαδρομή θα δημιουργηθεί γύρω από μια ηλιακή θερμική πηγή, όπως ένας πύργος CSP. Κάθε αντιδραστήρας στο τρένο θα φιλοξενούσε το μέταλλο που υφίσταται τη διαδικασία οξειδοαναγωγής ή αναστρέψιμης οξείδωσης.

Κάθε αντιδραστήρας θα περνούσε πρώτα από έναν θερμό σταθμό, όπου θα εκτεθεί στη θερμότητα του ήλιου σε θερμοκρασίες έως και 1.500 βαθμούς Κελσίου. Αυτή η ακραία θερμότητα θα εξάγει αποτελεσματικά οξυγόνο από το μέταλλο ενός αντιδραστήρα. Αυτό το μέταλλο θα βρισκόταν τότε σε «μειωμένη» κατάσταση, έτοιμο να απορροφήσει οξυγόνο από τον ατμό. Για να συμβεί αυτό, ο αντιδραστήρας θα μεταφερόταν σε ψυχρότερο σταθμό σε θερμοκρασίες περίπου 1.000 C, όπου θα εκτεθεί σε ατμό για την παραγωγή υδρογόνου.

Σκουριά και ράγες

Άλλες παρόμοιες ιδέες STCH έχουν συναντήσει ένα κοινό εμπόδιο: τι να κάνουμε με τη θερμότητα που απελευθερώνεται από τον μειωμένο αντιδραστήρα καθώς ψύχεται. Χωρίς ανάκτηση και επαναχρησιμοποίηση αυτής της θερμότητας, η απόδοση του συστήματος είναι πολύ χαμηλή για να είναι πρακτική.

Μια δεύτερη πρόκληση έχει να κάνει με τη δημιουργία ενός ενεργειακά αποδοτικού κενού όπου το μέταλλο μπορεί να αποοξειδωθεί. Ορισμένα πρωτότυπα παράγουν κενό χρησιμοποιώντας μηχανικές αντλίες, αν και οι αντλίες καταναλώνουν πάρα πολύ ενέργεια και είναι ακριβές για μεγάλης κλίμακας παραγωγή υδρογόνου.

Για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων, ο σχεδιασμός του MIT ενσωματώνει διάφορες εναλλακτικές λύσεις για εξοικονόμηση ενέργειας. Για να ανακτηθεί το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας που διαφορετικά θα διαφεύγει από το σύστημα, οι αντιδραστήρες στις αντίθετες πλευρές της κυκλικής τροχιάς επιτρέπεται να ανταλλάσσουν θερμότητα μέσω θερμικής ακτινοβολίας. Οι θερμοί αντιδραστήρες ψύχονται ενώ οι ψυχροί αντιδραστήρες θερμαίνονται. Αυτό διατηρεί τη θερμότητα μέσα στο σύστημα. Οι ερευνητές πρόσθεσαν επίσης ένα δεύτερο σύνολο αντιδραστήρων που θα περιέβαλλαν το πρώτο τρένο, κινούμενοι προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτή η εξωτερική ομάδα αντιδραστήρων θα λειτουργούσε σε γενικά χαμηλότερες θερμοκρασίες και θα χρησιμοποιηθεί για την εκκένωση οξυγόνου από το θερμότερο εσωτερικό τρένο, χωρίς την ανάγκη για μηχανικές αντλίες που καταναλώνουν ενέργεια.

Αυτοί οι εξωτερικοί αντιδραστήρες θα φέρουν έναν δεύτερο τύπο μετάλλου που μπορεί επίσης να σκουριάσει εύκολα. Καθώς περιστρέφονται, οι εξωτερικοί αντιδραστήρες θα απορροφούν οξυγόνο από τους εσωτερικούς αντιδραστήρες, αποοξειδώνοντας αποτελεσματικά το αρχικό μέταλλο, χωρίς να χρειάζεται να χρησιμοποιούν ενεργοβόρες αντλίες κενού. Και οι δύο συρμοί αντιδραστήρων θα λειτουργούσαν συνεχώς και θα παράγουν ξεχωριστά ρεύματα καθαρού υδρογόνου και οξυγόνου.

Οι ερευνητές πραγματοποίησαν λεπτομερείς προσομοιώσεις του εννοιολογικού σχεδιασμού και διαπίστωσαν ότι θα αύξανε σημαντικά την απόδοση της ηλιακής θερμοχημικής παραγωγής υδρογόνου, από 7 τοις εκατό, όπως έδειξαν προηγούμενα σχέδια, σε 40 τοις εκατό.

«Πρέπει να σκεφτούμε κάθε σωματίδιο ενέργειας στο σύστημα και πώς να το χρησιμοποιήσουμε για να ελαχιστοποιήσουμε το κόστος», λέει ο Ghoniem. “Και με αυτό το σχέδιο, ανακαλύψαμε ότι τα πάντα μπορούν να λειτουργούν με θερμότητα από τον ήλιο. Είναι σε θέση να χρησιμοποιήσει το 40 τοις εκατό της θερμότητας του ήλιου για να παράγει υδρογόνο.”

Το επόμενο έτος, η ομάδα θα κατασκευάσει ένα πρωτότυπο του συστήματος που σχεδιάζει να δοκιμάσει σε εγκαταστάσεις συμπυκνωμένης ηλιακής ενέργειας στα εργαστήρια του Υπουργείου Ενέργειας, το οποίο χρηματοδοτεί επί του παρόντος το έργο.

«Όταν εφαρμοστεί πλήρως, αυτό το σύστημα θα στεγαστεί σε ένα μικρό κτίριο στη μέση ενός ηλιακού πεδίου», εξηγεί ο Patankar. “Μέσα στο κτίριο, θα μπορούσαν να υπάρχουν ένα ή περισσότερα τρένα, το καθένα με περίπου 50 αντιδραστήρες. Και πιστεύουμε ότι θα μπορούσε να είναι ένα αρθρωτό σύστημα, όπου αντιδραστήρες μπορούν να προστεθούν σε έναν ιμάντα μεταφοράς, για να αυξηθεί η παραγωγή υδρογόνου.”

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από τα Κέντρα Έρευνας και Εκπαίδευσης Μηχανολόγων Μηχανικών MIT και SUSTech.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *